三運(yùn)放儀表放大器工作原理分析

圖1所示的三運(yùn)放儀表放大器看似為一種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗褂靡呀?jīng)存在了幾十年的基本運(yùn)算放大器(op amp)來(lái)獲得差動(dòng)輸入信號(hào)。運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓誤差不難理解。運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)增益的定義沒(méi)有改變。運(yùn)算放大器共模抑制(CMR)的簡(jiǎn)單方法自運(yùn)算放大器時(shí)代之初就已經(jīng)有了。那么，問(wèn)題出在哪里呢？

圖1：三運(yùn)放儀表放大器，其VCM為共模電壓，而VDIFF為相同儀表放大器的差動(dòng)輸入。

單運(yùn)算放大器和儀表放大器的共享CMR方程式如下：

本方程式中，G相當(dāng)于系統(tǒng)增益，VCM為相對(duì)于接地電壓同樣施加于系統(tǒng)輸入端的變化電壓，而VOUT為相對(duì)于變化VCM值的系統(tǒng)輸出電壓變化。

在CMR方面，運(yùn)算放大器的內(nèi)部活動(dòng)很簡(jiǎn)單，其失調(diào)電壓變化是唯一的問(wèn)題。就儀表放大器而言，有兩個(gè)影響器件CMR的因素。第一個(gè)也是最重要的因素是，涉及第三個(gè)放大器（圖1，A3）電阻比率的平衡問(wèn)題。例如，如果R1等于R3，R2等于R4，則理想狀況下的三運(yùn)放儀表放大器CMR為無(wú)窮大。然而，我們還是要回到現(xiàn)實(shí)世界中來(lái)，研究R1、R2、R3 和R4與儀表放大器CMR的關(guān)系。

具體而言，將R1：R2同R3：R4匹配至關(guān)重要。結(jié)合A3，這4個(gè)電阻從A1和A2的輸出減去并增益信號(hào)。電阻比之間的錯(cuò)配會(huì)在A3輸出端形成誤差。方程式2在這些電阻關(guān)系方面會(huì)形成CMR誤差：

例如，如果R1、R2、R3和R4接近相同值，且R3：R4等于R1/R2的1.001，則該0.1%錯(cuò)配會(huì)帶來(lái)儀表放大器CMR的降低，從理想水平降至66dB級(jí)別。

根據(jù)方程式1，儀表放大器CMR隨系統(tǒng)增益的增加而增加。這是一個(gè)非常好的特性。方程式1可能會(huì)激發(fā)儀表放大器設(shè)計(jì)人員確保有許多可用增益，但是這種方法存在一定的局限性。A1和A2開(kāi)環(huán)增益誤差和噪聲。放大器的開(kāi)環(huán)增益等于20log(ΔVOUT/ΔVOS)。隨著A1和A2增益的增加，放大器開(kāi)環(huán)增益失調(diào)誤差也隨之增加。A1和A2的輸出振幅變化一般涵蓋電源軌。儀表放大器增益更高的情況下，運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益誤差和噪聲占主導(dǎo)。通過(guò)RSS公式，這些誤差降低了更高增益下的儀表CMR。因此，您會(huì)看到儀表放大器的CMR性能值往往會(huì)在更高增益時(shí)達(dá)到最大值。

因此，從CMR角度來(lái)看，儀表放大器就像是一個(gè)在不同系統(tǒng)增益下器件各部分都誘發(fā)CMR誤差的系統(tǒng)。當(dāng)您對(duì)器件的內(nèi)部原理進(jìn)行研究時(shí)，它便不再如此神秘。您把各個(gè)部分都分開(kāi)來(lái)，就會(huì)一目了然。